JP4686746B2 - 光ネットワークの分散制御方法 - Google Patents

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Description

この発明は、WDM(Wavelength Division Multiplexing、波長分割多重)光ネットワークにおけるエンドツーエンド光パス設定方式に関している。
大容量の伝送が可能であることから、光ネットワークでWDMが注目されている。よく知られているように、WDMは各光ファイバの減衰の少ない帯域を複数の波長帯域に分割して使うもので、通信を行う送受信ノード間(送信ノードと受信ノード)に複数の波長帯域のどれかを割り当てることで、どのノード対も特定の波長帯域を占有しないようにして、光ファイバの帯域を有効活用するものである。
ここで述べるWDMネットワークでは、通信チャネルの予約に際してチャネル中で波長変換を行なわないことを前提にしている。例えば、バックワード予約方式では、シグナリングによって、送信ノードが受信ノードに制御情報を送り、中間ノードの波長(占有)情報つまりチャネル使用情報を収集する。収集した情報をもとに目的地となるノードが使用する波長を決める。光パスは、選択された波長が通るようにシグナリングメッセージを使って決められる。
もし、WDMネットワークに光パスの確保に不公平性があると、光パスが効率的に使われなくなり、利用者にとっては、満足なサービスを提供できなくなる。このため、光パスの通信チャネルを公平に使われるようにすることが求められている。
不公平な光パスの割り当てが生じる原因としては、2点をあげることができる。一つ目は、図1(a)に示す様に、通信を行なう端末間のホップ数(通過するノード数)が異なることで、ホップ数が大きくなればなるほど通信ルートを確保することが難しくなる。二つめは、図1(b)に示す様に、ボトルネックとなるリンクの存在である。このボトルネックを超えて光パスを確保することは困難である。
このような困難については、小規模のネットワークでは、集中制御方式を用いると上記の公平性を容易に保てるので、解決するのは容易である。しかし、集中制御方式では、集中制御装置の故障時の制御対応が困難なことはもちろん、管理情報として、ネットワークの結線情報や使用可能波長情報や使用中の波長情報がネットワーク全体に渡って必要になるので、大規模のネットワークで集中制御方式を適用することは、その規模の増大とともにますます困難になる。
上記の理由から、WDMの広帯域伝送を高効率で利用するためには、各ノードが自律的に波長を選択し、送受信ノード間で上記の波長帯域のどれかを予約して物理的な通信チャネルである光パスを確保することが望ましい。
波長帯域を確保するには、シグナリングを用いて送受信ノード間における波長を予約し、その後にデータの送信を行う。予約方式としては、フォワード型波長予約方式とバックワード型波長予約方式とがよく知られている。
フォワード型波長予約方式では、受信ノードに向かってシグナリングを進めながら予約を行い、受信ノードから送信ノードにシグナリングを進めながら使用しない波長を解放し、データの送信を開始する。このため、途中で波長に空きがないことがわかると、直ちに予約した波長を開放できる。しかし、多くの波長を同時に予約すると、他の光パスの予約に支障をきたす、という欠点がある。
一方、バックワード型波長予約方式では、受信ノードに向かってそれぞれのノード間の各リンクの波長利用情報(すなわち、波長が使用できるかどうかを示すリンク状態情報)を探索しながら進み、受信ノードから送信ノードに向かって予約を進める。この場合は、空いていそうな波長を一つ選び予約するので、予約する資源を節約できる。
従来例として、図7に、複数の光ノードを光路で連結し、それぞれの光ノードを送信ノード、受信ノード、または、中継ノードのいずれかとして用いるWDMネットワークモデルを示す。ネットワーク内の送信ノードiから受信ノードjへエンドツーエンドの光パスを設定する場合を対象に、従来のパス設定を説明する。
図8はWDMネットワークにおける従来方式を用いた光パス設定を示している。ここで、使用可能な波長数は4とする。この従来方式では、バックワード型波長予約方式に従ってエンドツーエンドに光パスが設定される。すなわち、各リンクの波長利用情報が送信ノードiから受信ノードjに向けて送信され、受信ノードjからは送信ノードiへ向けて波長が予約される。
まず、最初に、光ノードのひとつの送信ノードiが次リンクで利用可能な波長集合{λ1;λ2;λ4}を、PROBE(探索)信号に設定する。ここで、波長λ3は、次リンクで利用できないためPROBE信号には設定されない。その後、PROBE信号を同一ドメイン内のn2に送信する。n2では、上記と同様な理由で、波長集合{λ1;λ4}を、PROBE(探索)信号に設定する。この場合、波長λ2は、次リンクで利用できないためPROBE信号には設定されない。
中継のノードがさらに多い場合でも、各中継ノードにおいて同様の処理が行われ、PROBE信号は光ノードのひとつの受信ノードjまで伝送される。受信ノードjは、PROBE信号を受信するとPROBE信号内の波長情報から、光パス設定に使用する波長をランダムに選択したりファーストフィット(first−fit)に従って選択したりする。図8では、λ4を選択した。受信ノードjは、選択波長をRESERVE(予約)信号に設定し、送信ノードiへ向けて送信する。RESERVE信号を受信した中継ノードは、RESERVE信号内に設定された選択波長を光パス用に予約する。送信ノードiから中継ノードを経て受信ノードjに至る全ノードで波長予約に成功すれば送受信ノード間に光パスが設定され、さもなければ光パス設定は失敗となる。
いくつかの端末(エンド)の対が共通の光パスを介した通信を、大規模のネットワークに適した分散制御方式を用いて行なう場合でも、通常は、光パスのチャネル資源が、公平に分配されて使われることは稀である。そこで、分散制御方式で、近隣のノードに広報アドバタイズするチャネル数(波長数)を動的に変えて公平化する方法を示す。
この発明によれば、分散制御方式を用いて行なう場合でも、光パスのチャネル資源が、公平に分配されて使われるようにすることで、ネットワークの効率を改善する。
上記のようなことから、本発明は、複数の光ノードを光路で連結し、それぞれの光ノードを送信ノード、受信ノード、または、中継ノードのいずれかとして用いるWDMネットワークにおいて、
上記光ノードは、入射した光を分波する分波/多重器と、分波された光の伝搬する物理チャネルを切換える光スイッチと、該光スイッチの出射光を多重化する分波/多重器と、該光スイッチを制御する制御器と、該制御器に接続され光パス確保実績を含む接続実績情報を保存するメモリと、該制御器に制御信号を伝送する光または電気チャネルと、を備え、
1)光パスを確保するためにひとつの送信ノードがひとつの受信ノードに向かって送信する制御信号に含める波長数を、記録した光パス確保実績をもとに前記の送信ノードが決定するステップと、
2)前記の送信ノードが、上記波長数の波長を選択するステップと、
3)前記の送信ノードから前記の受信ノードへフォワード型あるいはバックワード型波長予約方式に従って上記制御信号を送り、光パスの確保を試行するステップと、
4)上記の試行で光パスを確保できた場合、または、できなかった場合について、光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録することで、前記の光パス確保実績に反映するステップと、
を、含む分散制御によって、上記の送信ノードでの光パス確保実績の反映を行うものである。また、上記の制御で、光パスを確保できた場合には、データを送信ノードから受信ノードに向かって送信し、データの送信の終了に伴って、確保した光パスを解放する。
ここで、上記の送信ノードが、上記波長数の波長を選択するステップにおいては、上記メモリは波長ごとに記録した光パス確保実績情報を有し、過去の波長ごとの光パス確保実績情報をもとに波長を選択することで送信ノードから受信ノード受信ノードへのエンドツーエンド光パス設定を行なうものである。
フォワード型波長予約方式として、特に、上記の送信ノードから上記の受信ノードに向かう往路で波長の予約を行い、復路で使用しない波長を解放することを特徴とするフォワード型波長予約方式に従って光パスを設定する。
バックワード型波長予約方式として、特に、上記の送信ノードから上記の受信ノードに向かう往路で波長の探索を行い、使用する波長を復路で予約することを特徴とするバックワード型波長予約方式に従って光パスを設定する。
ここで、光パス設定候補数は、次のように調整する。
1)前記の光パス確保実績において、上記波長数の波長を用いて光パスを確保できたときには、上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、予め与えられた数(削減数)あるいは割合(削減割合)だけ減じ、
2)光パスを確保できなかったときには、保存された上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、予め与えられた割合(増加割合)あるいは数(増加数)だけ増やし、
光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録する
また、次のように光パス設定候補数を調整してもよい。
1)前記の光パス確保実績において、上記波長数を用いて光パスを確保できたときには、保存された上記波長数あるいは該波長数を与えるパラメータを、光パスの確保に失敗した回数に依存する予め与えられた関数を用いて算出された数(削減数)あるいは割合(削減割合)だけ減じ、
2)上記とは逆に、光パスを確保できなかったときには、保存された上記波長数あるいは該波長数を与えるパラメータを、光パスの確保に失敗した回数に依存する予め与えられた関数を用いて算出された数(増加数)あるいは割合(増加割合)だけ増やし、
光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録する
上記の様に光パス設定候補数を調整する場合には、上記の削減割合(あるいは削減数)は増加割合(あるいは増加数)よりも小さくすることで、光パスを確保し易くなる。
上記の光パス確保実績は、受信ノードのアドレスや波長ごとの接続率を、月毎、曜日毎、特定の日付毎、または時間帯毎に分類して求めておくことが望ましい。光パスの確保においては、これらの情報をもとに光パス設定候補を選択して光パスの確保を試みる。
また、光パスの確保に失敗した回数に依存する上記の予め与えられた関数には、上記の送信ノードから受信ノードに向かう上記の光パスの光パス確保実績を含めた、上記の送信ノードから他の光ノードに向かう光パスの光パス確保実績によって変動する項を設けて、上記の送信ノードから他の光ノードに向かう光パスの光パス確保実績による効果を、上記の送信ノードから受信ノードに向かう上記の光パスの光パス確保実績として上記メモリに記録して、上記接続実績情報に反映することで、ネットワーク全体としての光パスの利用効率を改善するものである。
本発明は、図7に示すWDMネットワークで、光パスを確保するためのものである。それぞれのノードは、例えば図9のノード10に示す様な構造を持つものである。図9においては、WDM方式の光ファイバ1による光チャネルは、分波/多重器2で分波され、分波/多重器3で多重化されるか、逆に、分波/多重器3で分波され、分波/多重器2で多重化される。分波された光は、光スイッチ4で、光信号の伝搬する物理チャネルが切り換えられる。光スイッチは、制御器5で制御される。この制御においては、光または電気チャネル8で送られるノード制御信号の他に、メモリ6に蓄積されたルートテーブルやリンク情報などを用いる。光または電気チャネル8は、例えば分波/多重器2あるいは3で分波された光チャネルを用いても、あるいは光ファイバ1と並行する電気信号線を設けてもよい。
ここで、光または電気チャネル8で送られる情報は、それぞれのノードにおける光チャネルの、ビジーあるいはアイドルを示す状態情報が含まれる。また、送信ノードのメモリ6には、それぞれのノードが受信ノードとなった場合の波長ごとの光パスの確保に関する実績を接続実績情報として保存する。つまり、受信ノードのアドレスや波長ごとの接続率を、月毎、曜日毎、あるいは特定の日付毎、または、時間帯毎に分類して求めておく。それぞれのノードは、送信ノードとなることができるので、このような接続実績情報は、それぞれのノードに蓄積されることになる。
次に、送信ノードsが受信ノードtとの間に光パスを確保する場合に用いる分散制御方法を示す。この方法では、送信ノードが受信ノードに向かう経路上の下流ノードに通知する波長の数を、光パス設定の成功あるいは失敗の実績を基に、分散制御用のアルゴリズムに従って動的に変化させる。ここで提案する方法は、それぞれのノードがネットワーク全体についての情報を必要とすることはない。
stを、波長数のパラメータkstを下回らない最小の整数とするとき、波長数Kstを連続パラメータkstで表現することができる。この波長数だけ選択した波長を、送信ノードsが受信ノードtとの間に光パスを確保する場合に、隣接するノードに通知する。また、選択した波長を使って光パスの確保が成功した場合には、送信ノードsでkstの値を減じ、失敗した場合には、増加させる。つまり、光パスの確保に成功したか失敗したかによって、波長数Kstを変化させる。
ここで、波長数Kstが大きければ、光パスを確保しやすくなり、小さければ、それに失敗し易くなる。このため、上記の調整によって、波長数Kstがs、tによって異なる値を持ち、光パスの設定に失敗する確率が均等になることが期待できる。すなわち、公平な光パスの確保を実現できることが期待できる。
以下に於いては、光パスの設定に用いられる全体の波長数をWとする。また、送信ノードsと受信ノードtとの間にi番目の光パスを確保するものとする。送信ノードsは、受信ノードの個数がLであることを知っているものとする。また、Nsuを連続して光パスの確保に成功する回数とし、Nsuの和をNsとする。つまり、
s=ΣNsu (和は、全てのノードuについてとる)、とする。
送信ノードsで用いる制御アルゴリズムを図2に示す。このアルゴリズムを用いるとi番目の光パスが確保されるとKst、kstが更新される。図2においては、β(>1)、γ(0≦γ≦1)、δ(1≦δ≦W)は、あらかじめ決められた定数である。さらにαst iは、i番目の光パスが確保されたときに適用する削減率である。初期値としては、例えば、αst i=0.01、でαst iの最大値として(W−δ)である。
光パスの確保に失敗した場合には、αst iの値を図2の2.2の第2式に従って、変化させる。この式は漸化式であるが、αst iをパラメータγで表すと、指数関数型であるこことが分かる。(W−δ)/Nsの値が大きいときは、たびたび失敗する場合に相当し、αst iの値は大きくなる。このため、波長数Kstが一定の値に停留しなくなる。さらに、LNst/Nsの値が小さい(あるいは、大きい)ときは、他のノードに比べてノードtへの光パスの確保が難しい(あるいは、易しい)ことを意味している。これから、LNsu/Nsの値が小さい(あるいは、大きい)ときは、αst iの値を小さく(あるいは、大きく)なるように設定する、という制御を行う。
図3にKstとkstの挙動の例を示す。この図3では、W=8、β=2、γ=0.5、δ=2である。Kstとkstの最大値と最小値は、それぞれ2と8である。このアルゴリズムに従って、Kst個の波長についての限られた接続情報の下で送信ノードが光パスを確保する。
ここで、送信ノードが光パスを確保できた場合あるいは失敗した場合には、接続実績情報としては、受信ノードのアドレスや波長ごとの接続率を、月毎、曜日毎、あるいは特定の日付毎、または、時間帯毎に分類して記録して累積情報を作成する。光パスを新たに確保する場合には、これらの情報をもとに波長を選択して光パスの確保を試みる。
本発明を、5ノードの直列ネットワークに適用したコンピュータシミュレーションを行なって評価した。この評価にあたっては、波長多重の多重度は32である。このシミュレーションでは、送信ノードから受信ノードまで波長変換することなく光パスを確保した。このシミュレーションで送信ノードが選択する波長数は、ランダムに設定した。また、送信ノードsから受信ノードtまでの光パスの確保は、率Λを持ったポアソン過程に従うものとした。確保された光パスの保持時間は、平均1.0で、指数的に分布しているようにした。
このような条件下で、送信ノードsから受信ノードtまでの光パスの設定失敗確率P(s、t) lossを計算した。さらに、全体のパス設定失敗確率Plossを次の式で計算した。20は、すべての組み合わせ数に相当する。
Figure 0004686746
送信ノードと受信ノードの組ごとに設定失敗率を求め、その分散(CVloss)を計算した。CVlossが小さくなる場合は、光パスの確保において設定失敗率の散らばりが小さく、公平性が改善されることを意味する。
パフォーマンスを比較するために、現況のバックワード予約方式をリファレンスとしてとの比較を行なった。このリファレンスでは、32波長全てについて状態を示す情報(状態情報)が、近隣のノードに通知される。また、H=(1,2,3,4)を送信ノードsと受信ノードtとの間のホップ数とするとき、kstが定数で8Hであるときにスタティック法(Static Method)のパフォーマンスの評価を行なった。ホップ数が大(あるいは小)の時に、利用できる状態情報の波長数は大(あるいは小)である。
図4は、到着率Λに対するCVlossを示す。この図4から分かるように、本発明のCVlossはリファレンスよりも小さく、これはΛに依らない、と言うことが分かる。これから、本発明は、光パスの確保で公平性を改善することが分かる。本発明を、スタティック法と比べて見ると、本発明は、Λが1.75よりも小さい(あるいは大きい)時に、スタティック法よりも効率的である(あるいは効率的でない)、と言うことが分かる。
図5は、到着率Λに対する全体のパス設定失敗確率Plossを示す。この図5から分かるように、PlossはΛに依らずリファレンスの方法と同じであることが分かる。図4と5から、本発明は、光パスの公平性を改善するが、全体としてのパス設定確率を増やさず、光パスの公平性を改善することが分かる。スタティック法は、本発明よりも公平性を改善する領域があるものの、全体のパス設定失敗率を悪くしてしまう。
さらに図6は、送信ノードと受信ノードの組ごとのパス設定失敗確率P(s、t) lossを示す。(s、t)は、ヒ=20の時の送信ノード(ソースノード)sと受信ノード(目的ノード)tと組である。この図から分かるように、送信ノードsと受信ノードtとの間のホップ数が小さい時には、本発明の方法は、P(s、t) lossを増加させることが分かる。一方、送信ノードsと受信ノードtとの間のホップ数が大きい時(例えば(s、t)=(1、5))には、P(s、t) lossを増加させる事はなく、幾分減少させる。他方スタティック法では、P(s、t) lossを、どのsとtについても増加させる。もちろん、トラフィック(trafic、光パスの稼動状況)状態やホップ数などの差を考慮してパラメータを変えることでスタティック法の結果は大きく変わる。本発明の方法は各端末ノードに上記のアルゴリズムを装備する程度であるが、これを用いることで、リファレンスの方法と比べて、全体としてのパス設定失敗確率をあまり変えることなく、公平な光パスの確保ができるようになる。
図3は、図2に示すアルゴリズムに従った例であるが、本発明は、図2の式に限定すべき理由はなく、光パスの確保に成功した場合は、探索する波長数を減らし、失敗した場合は増やすという点が肝心である。減らす場合の削減率と増やす場合の増加率とのどちらが大きい場合でも、本発明の目的に適うものであるが、特に、削減率よりも増加率を大きくする場合に効果が大きい。
不公平な光パスの割り当てが生じる原因を示す模式図である。 送信ノードsで用いる制御アルゴリズムを示す図である。 波長数の変遷を示す図である。 到着率Λに対する毀損確率の変化CVlossを示す図である。 到着率Λに対するパス設定失敗確率Plossを示す図である。 毀損確率を示す図である。 複数ドメインWDMネットワークモデルを示す図である。 複数ドメインWDMネットワークにおける従来方式を用いた光パス設定を示す図である。 各ノードのもつ構造例を示すブロック図である。
符号の説明
1 光ファイバ
2、3 分波/多重器
4 光スイッチ
5 制御器
6 メモリ
7 トランシーバ
8 光または電気チャネル
10 ノード

Claims (9)

  1. 複数の光ノードを光路で連結し、それぞれの光ノードを送信ノード、受信ノード、または、中継ノードのいずれかとして用いるWDMネットワークにおいて、
    上記光ノードは、入射した光を分波する分波/多重器と、分波された光の伝搬する物理チャネルを切換える光スイッチと、該光スイッチの出射光を多重化する分波/多重器と、該光スイッチを制御する制御器と、該制御器に接続され光パス確保実績を含む接続実績情報を保存するメモリと、該制御器に制御信号を伝送する光または電気チャネルと、を備え
    1)光パスを確保するためにひとつの送信ノードがひとつの受信ノードに向かって送信する制御信号に含める波長数を、記録した光パス確保実績をもとに前記の送信ノードが決定するステップと、
    2)前記の送信ノードが、上記波長数の波長を選択するステップと、
    3)前記の送信ノードから前記の受信ノードへフォワード型あるいはバックワード型波長予約方式に従って上記制御信号を送り、光パスの確保を試行するステップと、
    4)上記の試行で光パスを確保できた場合、または、できなかった場合について、光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録することで、前記の光パス確保実績に反映するステップと、
    を、含む分散制御によって、上記の送信ノードでの光パス確保実績の反映を行うことを特徴とする光ネットワークの分散制御方法。
  2. 上記の送信ノードが、上記波長数の波長を選択するステップにおいては、上記メモリは波長ごとに記録した光パス確保実績情報を有し、過去の波長ごとの光パス確保実績情報をもとに波長を選択することで送信ノードから受信ノード受信ノードへのエンドツーエンド光パス設定を行なうことを特徴とする請求項1に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  3. 上記の送信ノードから上記の受信ノードに向かう往路で波長の予約を行い、復路で使用しない波長を解放することを特徴とするフォワード型波長予約方式に従って光パスを設定する請求項1、2に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  4. 上記の送信ノードから上記の受信ノードに向かう往路で波長の探索を行い、使用する波長を復路で予約することを特徴とするバックワード型波長予約方式に従って光パスを設定する請求項1、2に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  5. 前記の光パス確保実績において、上記波長数の波長を用いて光パスを確保できたときには、上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、予め与えられた数(削減数)あるいは割合(削減割合)だけ減じ、
    光パスを確保できなかったときには、保存された上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、予め与えられた割合(増加割合)あるいは数(増加数)だけ増や
    光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録することを特徴とする請求項1、2に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  6. 前記の光パス確保実績において、上記波長数を用いて光パスを確保できたときには、保存された上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、光パスの確保に失敗した回数に依存する予め与えられた関数を用いて算出された数(削減数)あるいは割合(削減割合)だけ減じ、
    上記とは逆に、光パスを確保できなかったときには、保存された上記波長数を、あるいは該波長数を与えるパラメータを、光パスの確保に失敗した回数に依存する予め与えられた関数を用いて算出された数(増加数)あるいは割合(増加割合)だけ増やし、
    光パスを確保できた事、または、できなかった事を、上記接続実績情報として上記メモリに記録することを特徴とする請求項1、2に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  7. 上記の削減割合(あるいは削減数)は増加割合(あるいは増加数)よりも小さいことを特徴とする請求項5あるいは6に記載の光ネットワークの分散制御方法。
  8. 上記の光パス確保実績は、受信ノードのアドレスや波長ごとの接続率を、月毎、曜日毎、特定の日付毎、または時間帯毎に分類したものを含むものであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光ネットワークの分散制御方法。
  9. 光パスの確保に失敗した回数に依存する上記の予め与えられた関数には、上記の送信ノードから受信ノードに向かう上記の光パスの光パス確保実績を含めた、上記の送信ノードから他の光ノードに向かう光パスの光パス確保実績によって変動する項を設けて、上記の送信ノードから他の光ノードに向かう光パスの光パス確保実績による効果を、上記の送信ノードから受信ノードに向かう上記の光パスの光パス確保実績として上記メモリに記録して、上記接続実績情報に反映することを特徴とする請求項6に記載の光ネットワークの分散制御方法。
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